ШАРОВОЙ КРАН ТРУБОПРОВОДНОЙ ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ Российский патент 2019 года по МПК F16K5/06 F16K27/06 

Изобретение относится к судовым системам гидравлики, в частности, к шаровому крану, применяемому в качестве запорной арматуры, устанавливаемой в трубопровод гидросети.

Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.

Известен шаровой кран по патенту РФ №2117843, который предназначен для использования в трубопроводной арматуре. Шаровой кран содержит корпус с патрубками, обеспечивающими проход потока, размещенную в корпусе шаровую пробку, поворачиваемую приводным валом, расположенные концентрично оси патрубков седловые кольца, поджимаемые к шаровой пробке. По меньшей мере одно из седловых колец выполнено с уплотнительными поверхностями, обращенными к шаровой пробке и корпусу. Также кран снабжен дополнительными уплотнительными средствами в виде смазки и/или мягких уплотнений, и кольцевой канавкой, выполненной на обращенной к шаровой пробке уплотнительной поверхности седлового кольца и расположенной концентрично оси патрубков. Кран снабжен контрольной линией продувочного отвода, выходящей в кольцевую канавку седлового кольца с помощью выполненных в стенке корпуса и седлового кольца каналов через разделительную полость между корпусом и седловым кольцом. На поверхности корпуса, обращенной к уплотнительной поверхности седлового кольца, выполнена дополнительная кольцевая канавка. Последняя расположена концентрично оси патрубков и связана через выполненный в стенке корпуса дополнительный канал с контрольной линией продувочного отвода. Такое выполнение обеспечивает возможность проверки герметизации крана в процессе его работы при одновременном снижении экологических нагрузок в результате выхода газов.

Известен шаровой кран по патенту РФ №2190140, который относится к трубопроводной запорной арматуре, в частности к шаровым кранам, предназначенным для различных областей техники, в том числе в областях с повышенными требованиями к герметичности шарового крана (химические, взрывоопасные производства). Кран содержит корпус с размещенным в нем поворотным шаровым запорным органом. Последний взаимодействует с пластмассовыми кольцевыми седлами. Седла установлены во входном и выходном патрубках крана и имеют на торцевых поверхностях в местах взаимодействия с патрубками конические поверхности. На конических поверхностях размещены упругие эластичные кольца. Контактирующие с запорным органом поверхности седел выполнены по сфере радиусом, равным 0,97-0,99 радиуса сферы запорного органа, проходящей через линию пересечения сферы запорного органа с внутренней цилиндрической поверхностью седла. Изобретение позволяет получить лучшее прилегание седла к затвору и компенсировать износ материала седел в процессе эксплуатации шарового крана, что обеспечивает герметичность крана по затвору без протечек и значительно повышает ресурс (срок службы) крана.

Известен шаровой кран по патенту РФ №2165046, защиту от износа которого осуществляют введением полимерной герметизирующей пасты в узел уплотнения шарового крана с последующей выдержкой до завершения процесса полимеризации. Пасту вводят в предварительно подготовленную полость крана под давлением через сливной штуцер в открытом положении крана с образованием в процессе полимеризации герметизирующей пасты уплотнительного кольца - оболочки в зазоре между поверхностями сферы, корпусом крана и седлами.

Известен шаровой кран по патенту РФ №102727, содержащий изготовленный из термопластичного полимерного материала корпус с двумя элементами подсоединения к трубопроводу с его противоположных сторон, полости которых соединены выполненным в корпусе проходным каналом, шаровой затвор со сквозным каналом, изготовленную из металлического сплава и расположенную в корпусе обойму с проходными отверстиями, открытыми в проходной канал корпуса, в которой установлен шаровой затвор с возможностью поворота и с уплотнением кольцами, сопряженными с его боковой поверхностью, установленными в обойме по периметрам обоих проходных отверстий, шток, установленный в корпусе с сопряжением через отверстие в обойме одним концом с шаровым затвором и выходом второго конца наружу корпуса для принудительного поворота шарового затвора с целью перекрытия проходного канала корпуса.

Использование в известной конструкции уплотнения шарового затвора в виде обоймы из металлического сплава, повышает стоимость шарового крана за счет необходимости использование трудоемких технологических операций формообразования детали из металлического сплава.

Известен шаровой кран по патенту РФ №84937, который содержит корпус с впускным и выпускным участками для протекания рабочей среды, сообщающиеся между собой через разделяющую рабочую камеру, в которой установлен шаровой запорный орган со сквозным отверстием, снабженный средством для поворота в вертикальной плоскости на угол 90°. По обеим сторонам шарового запорного органа расположены подвижные упругонагруженные поджимными устройствами седла-уплотнители, выполненные из полимерного материала с центральными вогнутыми участками, полностью соприкасающимися с поверхностью шарового запорного органа, установленные в металлические обоймы, одна из которых расположена в цилиндрической расточке корпуса, а другая - в цилиндрической расточке патрубка, подсоединенного к впускному отверстию, отличающийся тем, что в указанных седлах-уплотнителях и обоймах выполнены сообщающиеся между собой дренажные каналы, которые расположены в плоскости, поперечной оси шарового запорного органа симметрично относительно этой оси, и связывают впускной участок внутренней полости шарового крана с рабочей камерой.

Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа.

Недостаток прототипа заключается в его недостаточной термостойкости, что снижает его надежность при работе в сложных термических условиях.

Задачей изобретения является повышение термостойкости, а, следовательно, надежности шарового крана.

Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата.

Согласно изобретению шаровый кран трубопроводной запорной арматуры, содержащий корпус с впускным и выпускным участками для протекания рабочей среды, сообщающиеся между собой через разделяющую рабочую камеру, в которой установлен шаровой запорный орган со сквозным отверстием и уплотнения, полностью соприкасающимися с поверхностью шарового запорного органа, отличающийся тем, что он снабжен теплозащитным покрытием, состоящем из полимерного связующего, в котором равномерно распределен наполнитель, при этом в качестве наполнителя использован пористый или пустотелый керамический материал с низкой теплопроводностью и размером частиц менее 1 мкм, при соотношении компонентов, мас. %: связующее - 70-30, керамический материал - 30-70, а уплотнения выполнены из полимерного материала, с коэффициентом термического расширения выровненным до уровня коэффициента термического расширения шарового запорного органа и корпуса крана путем добавления в его состав микро или нанокерамических порошков с размером менее 1 мкм и их объемным содержанием от 10 до 70%.

Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:

- в качестве керамического материала может быть использован оксид циркония;

- в качестве керамического материала может быть использован диоксид циркония

- в качестве полимерного связующего могут быть в нем использованы фторполимеры;

- в качестве фторполимера может быть использован фторлак;

- в качестве полимерного связующего могут быть использованы эпоксидные смолы.

- в качестве полимерного материала уплотнения может быть использован полиуретан;

- в качестве микро или нано керамических порошков может быть использован нитрид кремния крупностью 500 нанометров;

- в качестве микро или нано керамических порошков может быть использован нитрид алюминия крупностью 500 нанометров.

Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что фторполимеры или эпоксидные смолы обеспечивают высокую механическую и химическую стойкость покрытия, а также его высокую термостойкость, а наличие в составе покрытия пористого или пустотелого керамического материала, включающего воздушные пузырьки с низкой теплопроводностью, обеспечивает покрытию низкую теплопроводность, что в конечном счете обеспечивает повышение надежности крана путем повышения его термостойкости. Заявленный состав уплотнения не увеличивает коэффициент трения и в тоже время снижает деформацию под давлением.

Заявленное теплозащитное покрытие наноситься слоем, достаточным для теплоизоляции. Полимерные связующие на основе эпоксидных смол или фторполимеров являются низкотеплопроводными (около 0.3 Вт/м×К), химически стойки-ми и достаточно прочными. При увеличении толщины слоя нанесения покрытие его прочность падает. Покрытие на базе вышеперечисленных полимеров с наполнителем из низкотеплопроводного керамического материала размером менее 1 мкм, например, оксида циркония с теплопроводностью 1.2-1.4 Вт/м×К, позволяет наносить прочные и по толщине достаточные для теплоизоляции слои покрытия.

Оценка прочностных и теплопроводных свойств заявленного покрытия приведена в таблице 1.

Из таблицы 1 видно, что при введении менее 30% и более 70% керамического материала химическая стойкость и механическая прочность покрытия становятся низкими. Наилучшими параметрами обладает покрытие при введении керамического материала в интервале от 30 до 50 мас %.

Коэффициент термического расширения полиуретанов при нормальных условиях составляет около 57×10^-6/с^-1, а коэффициент термического расширения используемых совместно с ними в одних изделиях нержавеющих аустенитных сталей, например, 08×18н10т, составляет при нормальных условиях 17×10^-6/с^-1. При повышении температуры полиуриетановые детали будут расширяться опережающе, создавая избыточную нагрузку. Введение в состав полиуриетанов наполнителей больших по размеру, чем 3 мкм ухудшает коэффициент трения и механические свойства полученного композита. Поэтому основой заявленного решения является снижение коэффициента термического расширения композита путем наполнения его керамическими микро или нанопорошками с низким коэффициент термического расширения и химически инертными.

По результатам испытаний выявлено что керамические частицы с размерами менее 1 мкм не ухудшают коэффициента трения по сравнению с исходным материалом.

В качестве наполнителей выбраны нитрид кремния с коэффициентом термического расширения 3.4×10^-6/с¹ и нитрид алюминия с коэффициентом термического расширения 3.3×10^-1/с^-1. При введении 10%об керамики механические свойства не изменяются, но коэффициент термического расширения композита уменьшается незначительно (не более 10%), но при введении от 30 до 50% об. коэффициент термического расширения композита уменьшался до 2-х раз, Возможности деформации в упругой зоне ухудшались, но оставались приемлемыми. При повышении содержания до 70% при многоцикловых нагрузках происходит разрушение образца. Соответственно, оптимальными значениями армирования композит является интервал от 30 до 50% керамики размером 1 мкм и менее до 400-500 нм.

Заявленное устройство может быть реализовано с использованием известного оборудования, технических и технологических средств.

Шаровой кран трубопроводной запорной арматуры может быть использован в качестве запорной арматуры. Шаровой кран снабжен теплозащитным покрытием, состоящим из полимерного связующего, в котором равномерно распределен наполнитель, при этом в качестве наполнителя использован пористый или пустотелый керамический материал с низкой теплопроводностью и размером частиц менее 1 мкм, при соотношении компонентов, мас. %: связующее - 70-30, керамический материал - 30-70, а уплотнения выполнены из полимерного материала, с коэффициентом термического расширения, выровненным до уровня коэффициента термического расширения шарового запорного органа и корпуса крана путем добавления в его состав микро- или нанокерамических порошков с размером менее 1 мкм и их объемным содержанием от 10 до 70%. Заявленное теплозащитное покрытие шарового крана имеет высокую механическую и химическую стойкость покрытия, а также высокую термостойкость, а наличие в составе покрытия пористого или пустотелого керамического материала, включающего воздушные пузырьки с низкой теплопроводностью, обеспечивает покрытию низкую теплопроводность, что в конечном счете обеспечивает повышение надежности крана путем повышения его термостойкости. 8 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Шаровой кран трубопроводной запорной арматуры, содержащий корпус с впускным и выпускным участками для протекания рабочей среды, сообщающимися между собой через разделяющую рабочую камеру, в которой установлены шаровой запорный орган со сквозным отверстием и уплотнения, полностью соприкасающиеся с поверхностью шарового запорного органа, отличающийся тем, что снабжен теплозащитным покрытием, состоящим из полимерного связующего, в котором равномерно распределен наполнитель, при этом в качестве наполнителя использован пористый или пустотелый керамический материал с низкой теплопроводностью и размером частиц менее 1 мкм, при соотношении компонентов, мас. %: связующее - 70-30, керамический материал - 30-70, а уплотнения выполнены из полимерного материала, с коэффициентом термического расширения, выровненным до уровня коэффициента термического расширения шарового запорного органа и корпуса крана путем добавления в его состав микро- или нанокерамических порошков с размером менее 1 мкм и их объемным содержанием от 10 до 70%.

2. Кран по п. 1, отличающийся тем, что в качестве керамического материала использован оксид циркония.

3. Кран по п. 1, отличающийся тем, что в качестве керамического материала использован диоксид циркония.

4. Кран по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полимерного связующего в нем использованы фторполимеры.

5. Кран по п. 4, отличающийся тем, что в качестве фторполимера использован фторлак.

6. Кран по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полимерного связующего использованы эпоксидные смолы.

7. Кран по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полимерного материала уплотнения использован полиуретан.

8. Кран по п. 1, отличающийся тем, что в качестве микро- или нанокерамических порошков использован нитрид кремния крупностью 500 нм.

9. Кран по п. 1, отличающийся тем, что в качестве микро- или нанокерамических порошков использован нитрид алюминия крупностью 500 нм.